CN102678193A

CN102678193A - 用于涡轮发动机动叶的密封件

Info

Publication number: CN102678193A
Application number: CN2012100795175A
Authority: CN
Inventors: J·A·瓦伦; P·舒克拉; M·S·洪坎普
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-03-15
Publication date: 2012-09-19
Also published as: EP2500521A2; EP2500521A3; US20120235366A1

Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机动叶的密封件。一种系统包括第一涡轮段，其包括联接到第一柄部的第一叶片。系统还包括：第二涡轮段，其包括联接到第二柄部的第二叶片；以及布置在第一与第二柄部之间的间隙中的柱塞密封件。系统还包括布置在第一柄部的中空区域中的偏置元件，其中偏置元件直接邻近柱塞密封件。

Description

用于涡轮发动机动叶的密封件

技术领域

本文中公开的本主题涉及用于涡轮机，诸如涡轮发动机的密封件。

背景技术

燃气涡轮发动机燃烧燃料和空气的混合物以生成热燃烧气体，其继而驱动一个或者多个涡轮。尤其地，热燃烧气体迫使涡轮动叶段(bucket segment)旋转，由此驱动轴以旋转一个或者多个负载，例如，发电机。这些涡轮动叶段可包括允许在燃气涡轮发动机的涡轮级中的邻近放置的柄部。同时，高度压缩的空气通常从压缩器抽取用于加压在两个邻近动叶柄部之间形成的空腔。该确定压力差可帮助防止热燃烧气体进入柄部空腔，从而避免不利地影响动叶寿命的热应力的增加。然而，由于这些动叶段和它们的柄部可单独生产并且然后联合成单一涡轮级，故间隙可存在于单独涡轮动叶柄部之间。这些间隙可提供用于加压柄部空腔的气体的泄漏路径，从而降低总体涡轮效率和输出。因此，期望最小化该加压气体通过位于燃气涡轮发动机的涡轮级的涡轮动叶柄部之间的间隙的泄漏。

发明内容

与最初主张权利的发明的范围相称的某些实施例在下文中总结。这些实施例不意图限制主张权利的发明的范围，而是这些实施例仅仅意图提供本发明的可能形式的简要总结。实际上，发明可以包含可类似于或者不同于下文陈述的实施例的多种形式。

在第一实施例中，系统包括涡轮密封组件，其构造成密封在邻近的第一与第二涡轮动叶段之间的间隙，其中涡轮密封组件包括：细长密封元件；和细长偏置元件，其沿细长密封元件延伸，其中细长偏置元件包括被第一和第二细长部分围绕的细长开口，第一和第二细长部分构造成沿细长密封元件彼此朝向和远离地变形，并且细长偏置元件构造成将细长密封元件偏置成横跨间隙。

在第二实施例中，系统包括：包括联接到第一柄部的第一叶片的第一涡轮段；包括联接到第二柄部的第二叶片的第二涡轮段；布置在第一与第二柄部之间的间隙中的柱塞(plunger)密封件；和布置在第一柄部的中空区域中的偏置元件，其中偏置元件直接邻近柱塞密封件。

在第三实施例中，系统包括涡轮密封组件，其构造成密封在邻近的第一与第二涡轮动叶段之间的间隙，其中涡轮密封组件包括：细长密封元件，其包括沿涡轮密封组件的轴线延伸的D形截面；和细长偏置元件，其沿细长密封元件延伸，其中细长偏置元件包括被第一和第二细长部分围绕的细长开口，第一和第二细长部分构造成沿细长密封元件彼此朝向和远离地变形，并且细长偏置元件构造成将细长密封元件偏置成横跨间隙。

附图说明

当参考附图阅读以下详细说明时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更容易理解，其中贯穿附图相同符号表示相同部件，其中：

图1是具有带有密封件的涡轮动叶平台的燃气涡轮发动机的实施例的示意流程图；

图2是通过纵向轴线切断的，图1的燃气涡轮发动机的两个涡轮动叶段的实施例的侧视图；

图3是通过线3-3的图2的两个涡轮动叶段的局部截面视图；

图4是图2的柱塞密封件和偏置元件的实施例的侧透视图；

图5是通过线5-5的图3的两个涡轮动叶段的实施例的局部截面视图，示出柱塞密封件的实施例；并且

图6是通过线5-5的图3的两个涡轮动叶段的实施例的局部截面视图，示出柱塞密封件的实施例。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，实际实施的所有特征不都在说明书中描述。应当理解在任何这类实际实施的开发中，像在任何工程或者设计项目中，必须做出若干具体实施决定以达到开发者的具体目标，诸如遵循系统相关和商业相关约束，其可从一个实施到另一个实施变化。而且，应当理解这种开发工作可能是复杂并且耗时的，但是对于受益于本公开的本领域技术人员而言，这不过是设计、制造和加工的例行任务。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表明存在一个或者多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含性的并且表明除了所列的元件之外，可存在额外元件。

本公开涉及系统和方法，其用于密封在涡轮机中的邻近段，诸如在燃气涡轮发动机、蒸汽涡轮发动机、水力涡轮发动机或其它涡轮的涡轮级中的涡轮动叶柄部，之间的间隙。系统和方法可包括将柱塞密封件，诸如柱塞密封销，插入在邻近的涡轮动叶柄部之间。来自偏置元件的预载值和在涡轮动叶柄部之间的压力差可允许通过施加压力到散布在任何两个邻近动叶柄部之间的密封件而达到确定密封。该密封件可例如是D形或者形成为具有其它形状并且可以是弹簧，其加载以维持确定密封，而不管在邻近的柄部之间的间隙的变化。而且，密封件的弹性加载可经由偏置元件实现，偏置元件可为C形或者形成为具有其它形状。

图1是包括可采用涡轮转子动叶(即，叶片)的燃气涡轮发动机10的示范涡轮系统的框图。如下文所述地，动叶可包括柱塞密封件，诸如D形柱塞密封件。在某些实施例中，发动机10可用于为航空器、船只、机车、发电系统或者它们的联合提供动力。所述燃气涡轮发动机10包括燃料喷嘴12，其可吸入燃料供应14并且将燃料与空气混合，以及将空气-燃料混合物分配进燃烧器16。空气燃料混合物可例如在燃烧器16内的室内燃烧，由此产生热加压排气。燃烧器16可引导排气通过涡轮18朝向排气出口20。当排气通过涡轮18时，气体迫使涡轮叶片沿系统10的轴线使轴21旋转。如图所示，轴21连接到发动机10的各种构件，包括压缩器22。压缩器22还包括联接到轴21的叶片。因此，当轴21旋转时，压缩器22内的叶片旋转，从而压缩空气，其从空气进口24通过压缩器22进入燃料喷嘴12和/或燃烧器16。轴21还可以连接到负载26，其可以是车辆或者静止负载，诸如发电厂中的发电机或者航空器上的推进器。负载26可以是通过涡轮发动机10的旋转输出来动力推动的任何适当装置。

图2示出图1的燃气涡轮发动机12的涡轮18部分的两个涡轮动叶段32的实施例的侧视图，以及示出动叶段32在径向方向31、轴向方向33和周向方向35上的定向的图例。涡轮动叶段32可例如经由转子叶轮联接到轴21，并且可局部布置在热燃烧气体的路径内，作为单级燃气涡轮、包括低压涡轮和高压涡轮的双级涡轮系统或者带有三个或者更多个涡轮级的多级涡轮系统的一部分。可选地，涡轮动叶段32可布置在蒸汽涡轮或者水力涡轮中。为了示范的目的，在图2中示出仅仅两个涡轮动叶段32；然而，应当明白可配置多个涡轮动叶段32，例如以在涡轮18中形成环形结构。

动叶段32可由金属、金属合金、陶瓷基复合材料(CMC)或其它适当材料建造。各动叶段32包括叶轮安装件34、柄部36、平台37、平台38和动叶或者叶片40。在所示实施例中，各动叶段32包括燕尾榫34作为叶轮安装件以联接动叶段32与涡轮18中的转子叶轮的相应沟槽(例如，轴向33沟槽)。因此，燕尾榫34延伸进叶轮并且平台37靠在叶轮上以支撑柄部36。柄部36从燕尾榫34径向31朝外延伸到平台38，其可以是支撑动叶或者叶片40的突出部或者基部。例如，动叶40可以是从平台38径向31朝外延伸的翼型40。动叶40(例如，翼型)布置在热燃烧气体的路径内。在操作中，热燃烧气体在翼型40上施加原动力以驱动涡轮18。

图3示出沿图2的线3-3的动叶段32的局部截面视图。如图所示，动叶段32定位成彼此邻近的环形配置，其中空腔39形成在其间。该空腔39可例如是加压空腔，其从压缩器22接收压缩空气以防止热燃烧气体进入柄部空腔39，从而避免不利地影响动叶寿命的热应力的潜在增加。然而，在该构型中，动叶段32的形状可导致间隙42(例如，来自空腔39的泄漏路径)存在于邻近动叶段32之间。回到图2，该间隙42可沿柄部36从燕尾榫34径向31延伸到节气阀(damper)开口44径向31下方，节气阀开口44可位于邻近柄部36之间并且在动叶段32的每一个的翼型40的径向31以下。该间隙42可允许在动叶段32之间的加压柄部空腔39空气的跨柄部泄漏。不幸地是，该泄漏可在利用期间降低涡轮10的总体效率。相应地，可期望通过例如在间隙42中的一个或者多个柱塞密封件46的利用防止该跨柄部泄漏发生。

图4示出柱塞密封件46的实施例的侧透视图，柱塞密封件46可用于密封在动叶段32之间的间隙42。柱塞密封件46可例如包括细长结构，其具有D形截面47以限定柱塞密封件46的形状，其中，D形截面47沿柱塞密封件46的径向轴线31延伸。该柱塞密封件46可为柱塞密封销，其特征为D型密封件，其包括直线部分48(例如，平坦表面)和C形部分50(例如，弯曲表面)，其联合以形成用于柱塞密封件46的D形。换言之，柱塞密封件46可限定成沿它的长度带有D形截面47的细长密封件。例如，柱塞密封件46可以是沿它的长度带有均匀D形截面47的延伸的D形。在某些实施例中，柱塞密封件46可挤出以形成均匀D形截面。

而且，柱塞密封件46的C形部分50可当施加压力时保持为大体刚性，使得直线部分48和C形部分50可抵抗彼此相对的移动。在另一实施例中，柱塞密封件46可当施加压力时压缩。该压力可例如通过动叶段32的热膨胀导致，由此在间隙42内压缩柱塞密封件46。因此，可期望在制备柱塞密封件46时使用的材料具有等于或者小于动叶段32的热膨胀系数。因而，柱塞密封件46可以由镍、钴、镍基超级合金或者带有能够忍受涡轮操作温度和条件的期望机械性能的其它适当材料制成。可用的超级合金的实例可包括RenéN4或者RenéN5，其是可以用于构造柱塞密封件46的单晶、高强度镍基超级合金的实例。选择用于柱塞密封件46的材料可以基于对机械强度、高温下的抗蠕变性、抗腐蚀性或其它属性的需求。柱塞密封件46可以定尺寸成使得它装配进间隙42。

图4还示出偏置元件54，其可与柱塞密封件46一起使用，例如，以帮助间隙42的密封。该偏置元件54可例如是c型弹簧。偏置元件54可例如包括具有例如任何数量的C形部分的可变形形状，以限定单C形、双C形(例如，W形)或者其它弯曲或者卷绕形状。因此，偏置元件54可以是包括两个直线部分56和58的可变形C形元件。在一个实施例中，C形沿偏置元件54的轴线延伸。而且，偏置元件54可以是细长的并且可沿细长柱塞密封件46延伸。也就是说，偏置元件54可以限定成带有沿它的长度的C形截面的细长弹簧。安装在两个动叶段32之间的柱塞密封件46和偏置元件54的图例在图5中示出。

图5示出沿图3的线5-5的动叶段32的截面视图，示出柱塞密封件46(例如，D型密封件)的实施例。如图所示，柱塞密封件46可以是插入在动叶段32之间的柱塞密封销，使得柱塞密封件46不管间隙42的变化而维持确定密封，以阻止气体沿线52的跨柄部泄漏。为帮助间隙42的密封，偏置元件54可以与柱塞密封件46一起使用。如先前所述地，该偏置元件54可例如是c型弹簧。在一个实施例中，偏置元件54可以由镍、钴或者铁基超级合金或者带有能够忍受涡轮操作温度和条件的期望机械性能的其它适当材料(诸如310不锈钢)制成。可用超级合金的实例可包括

合金600、

合金625、

合金718、

合金738、

合金X-750或者

X。因此，选择用于偏置元件54的材料可基于对机械强度、高温下的抗蠕变性、抗腐蚀性或者其它属性的需求，并且可例如具有大于动叶段32的热膨胀系数并且大于柱塞密封件46的热膨胀系数的热膨胀系数。

偏置元件54可以是可变形C形元件，其包括两个直线部分56和58，其联合以形成在偏置元件54中与偏置元件54的弯曲部分62相对的开口60。换言之，偏置元件54可以限定为带有沿它的长度的C形截面的细长弹簧。例如，偏置元件54可以是带有沿它的长度的均匀C形截面的延伸的C形。在某些实施例中，偏置元件54可挤出以形成均匀C形截面。而且，偏置元件54的直线部分56和58中的每一个可在施加压力时沿弯曲部分62变形，使得直线部分56和58可彼此朝向和远离地运动。该压力可以例如在当偏置元件装配进动叶段32的一个的中空区域64时通过动叶段32的热膨胀导致。

如图所示，偏置元件54可提供弹性、柔性或者弹簧力，其与柱塞密封件46一起在动叶段32之间的间隙42中产生预载。换言之，偏置元件54的直线部分56和58可以在安装在动叶段32的一个的中空区域64中时并且在由沿柱塞密封件46的直线部分48施加的压力作用时彼此朝向地变形或者弯曲。也就是说，当动叶段32热膨胀时，两个直线部分56和58给予朝外的力66到动叶段32并且给予朝外的力68到柱塞密封件64以有助于朝向邻近动叶段32的朝外的力70。以这种方式，偏置元件54预加载到动叶段32的一个的中空区域64中的位置。例如，偏置元件54可以加载到动叶段32的一个的中空区域64，其包括接收偏置元件54的大致平坦部分72，以及垂直于并且邻近平坦部分72的两个大致平坦部分74和76，其接收柱塞46。

因此，当动叶段32的每一个施加力到偏置元件54的直线部分58和柱塞密封件46的弯曲部分52时，直线部分56和58给予朝外的力66和68并且柱塞密封件给予朝外的力70以限定在动叶段32上的预载。而且，在存在于动叶段32的前侧78(例如，连空腔39在内的上游侧)与动叶段32的后侧80(例如，下游侧)的气体之间的压力差还可帮助创造密封力以防止横跨间隙42的跨柄部泄漏。例如，存在于动叶段32的前侧78(例如，在空腔39)中的气体的压力可大于存在于动叶段32的后侧80中的气体的压力，这可导致横跨柱塞密封件46的压力差，其帮助横跨间隙42的密封力的生成。

图6示出沿图3的线5-5的动叶段32的截面视图，示出带有偏置元件54的柱塞密封件46的实施例。如图所示，柱塞密封件46可以是柱塞密封销并且可以与偏置元件54一起操作，以在动叶段32之间的间隙42中产生预载。换言之，直线部分56和58可在安装在动叶段32的一个的中空区域64后彼此朝向地变形或者弯曲，使得直线部分56和58给予朝外的力66和68。此外，为帮助增加朝外的力66和68，存在于动叶段32的前侧78(例如，连空腔39在内的上游侧)中的高压气体可导引到偏置元件54的开口60。也就是说，存在于前侧78(即，空腔39)中的高压气体可沿线82引导通过动叶段32的一个的通道84。也就是说，通道84可以连接前侧78与动叶段32的一个的中空区域64。例如，通道84可以经由邻近接收偏置元件54的平坦部分72的动叶段32的倾斜部分86通向中空区域64。倾斜部分86可以从气体进入部分88接收气体，该气体进入部分88当偏置元件54定位在中空区域64中时引导来自路径82的气体流朝向偏置元件54的开口60。该加压气体可帮助给予额外力到偏置元件54(即，附加到朝外的力66和68)，并且因此到柱塞密封件46和邻近动叶段32。

因此，柱塞密封件46提供通过偏置元件54(例如直线部分56和58的朝外偏置)支持的预载以及有助于在操作期间使偏置元件54的C形膨胀的气体压力的额外负载。因此，朝外的力66和68(并且因此朝外的力70)可包括偏置元件54的偏置力、偏置元件54内的气体的气体压力和相对于弯曲部分62的直线部分56和58的整体力(integralforce)。此外，偏置力联合在存在于动叶段32的前侧78(即，空腔39中)与动叶段32的后侧80的气体之间的压力差以帮助产生确定密封，以阻止例如沿线52横跨间隙42的跨柄部泄漏。在一个实施例中，由于偏置和存在于动叶段32的前侧78与后侧80的气体压力的压力差而产生的反作用力可通过如下方程表示：F_rs＝(P_h-P₁)×r_i-seal×L_seal×K_{biasing-element}×δ-F_f，其中，F_rs是由于偏置和存在于动叶段32的前侧78和后侧80中的气体压力的压力差而产生的反作用力，P_h是前侧78压力，P₁是后侧压力80，r_i-seal是柱塞密封件46的内部半径，L_seal是柱塞密封件46的长度，K_{biasing-element}是偏置元件54的弹性系数，δ是柱塞密封件46的回弹量(例如，在例如邻近动叶段32的热膨胀期间由柱塞密封件46移动的距离)，并且F_f是邻近动叶段32的大致平坦部分76的柱塞密封件46的摩擦力。上文所述的反作用力的分析可用于确定负载，其将存在于柱塞密封件46上以通过柱塞密封件46确保间隙42的确定密封以防止在两个动叶段32之间的跨柄部泄漏。

本书面描述利用实例公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统并实施任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差别的等效结构元件，则这些其它实例预期在权利要求的范围内。

Claims

1.一种系统，包括：

涡轮密封组件，其构造成密封在邻近的第一涡轮动叶段与第二涡轮动叶段之间的间隙，其中，所述涡轮密封组件包括：

细长密封元件；和

细长偏置元件，其沿所述细长密封元件延伸，其中，所述细长偏置元件包括被第一细长部分和第二细长部分围绕的细长开口，所述第一细长部分和第二细长部分构造成沿所述细长密封元件彼此朝向和远离地变形，并且所述细长偏置元件构造成将所述细长密封元件偏置成横跨所述间隙。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长偏置元件构造成在所述细长开口中接收加压流体，以将所述第一细长部分和第二细长部分偏置成彼此远离。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长偏置元件包括沿所述涡轮密封组件的轴线延伸的C形截面。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述细长密封元件包括沿所述涡轮密封组件的轴线延伸的D形截面。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长密封元件包括沿所述涡轮密封组件的轴线的第一均匀截面，并且所述细长偏置元件包括沿所述涡轮密封组件的轴线的第二均匀截面。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长偏置元件包括沿在所述第一细长部分与第二细长部分之间的细长开口延伸的中间细长部分，并且所述中间细长部分从所述第一细长部分弯曲到所述第二细长部分。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一细长部分包括第一直线部分并且所述第二细长部分包括第二直线部分。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述涡轮密封组件构造成安装在所述第一涡轮动叶段中的细长凹部内，所述细长偏置元件构造成将所述细长密封元件偏置成远离所述细长凹部横跨所述间隙朝向所述第二涡轮动叶段，并且所述涡轮密封组件构造成在相对于具有所述第一涡轮动叶段和第二涡轮动叶段的涡轮的旋转轴线的径向方向上延伸。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，包括具有布置在所述细长凹部内的涡轮密封组件的第一涡轮动叶段。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长密封元件包括材料，其具有小于或者等于所述第一涡轮动叶段和第二涡轮动叶段的第二热膨胀系数的第一热膨胀系数。

11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述细长偏置元件包括材料，其具有大于所述第一涡轮动叶段和第二涡轮动叶段的第二热膨胀系数的第一热膨胀系数。

12.一种系统，包括：

包括联接到第一柄部的第一叶片的第一涡轮段；

包括联接到第二柄部的第二叶片的第二涡轮段；

布置在所述第一柄部与第二柄部之间的间隙中的柱塞密封件；和

布置在所述第一柄部的中空区域中的偏置元件，其中，所述偏置元件直接邻近所述柱塞密封件。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第一涡轮段包括布置在所述第一涡轮段的上游侧与所述中空区域之间的通道。

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述偏置元件包括开口，其构造成从所述通道接收流体流以引起所述偏置元件的膨胀。

15.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述柱塞密封件沿在所述第一柄部与第二柄部之间的间隙在相对于所述第一涡轮段与第二涡轮段的旋转轴线的径向方向上延伸，并且所述柱塞密封件至少部分布置在所述第一柄部的中空区域中。

16.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述柱塞密封件包括布置在所述中空区域中的至少一个直线部分和布置在所述间隙中的C形部分。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述柱塞密封件的直线部分构造成与所述偏置元件的直线部分交界。

18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，所述柱塞密封件包括具有D形截面的第一细长结构，并且所述偏置元件包括具有C形截面的第二细长结构。

19.一种系统，包括：

细长密封元件，其包括沿所述涡轮密封组件的轴线延伸的D形截面；和

细长偏置元件，其沿所述细长密封元件延伸，其中，所述细长偏置元件包括被第一细长部分和第二细长部分围绕的细长开口，所述第一细长部分和第二细长部分构造成沿所述细长密封元件彼此朝向并且远离地变形，并且所述细长偏置元件构造成将所述细长密封元件偏置成横跨所述间隙。

20.根据权利要求19所述的系统，其特征在于，所述细长偏置元件包括第一材料，所述细长密封元件包括第二材料，并且其中，所述第一材料包括大于所述第二材料的热膨胀系数的热膨胀系数。